空气静压电主轴系统中前套筒磨削工装设计

郭忠华

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 065201）

前套筒作为空气静压轴承的支撑定位零件，是空气静压电主轴系统的关键核心零件之一。磨削精度是零件能否合格的关键[1]。由于该零件磨削内孔的装夹基准属于不规则的非完整圆，无法用通用的三爪或四爪卡盘装夹，因此设计了一套磨削内孔和外圆的专业夹具，成功解决了问题。

1 前套筒图纸分析

该前套筒材料为2Cr13 马氏体不锈钢，全长为 211 mm。如图1 所示，它的整体结构大体为一带台阶的空心轴类，轴的外圆表面为非完整圆。它的主要精度指标包括两个方面：一方面，中间内孔Φ360+0.01mm、 Φ390+0.01mm 尺寸公差，粗糙度要求Ra0.4 μm，圆柱度要求0.004 mm；另一方面，外圆尺寸公差，粗糙度Ra0.8 μm，与内孔的同轴度为Φ0.008 mm。

2 工艺流程的制定及难点分析

2.1 工艺流程的制定

零件材料为2Cr13 马氏体不锈钢，有极为良好的塑性和较高的强度[2]。切削时，加工硬化严重，切削抗力大，温度升高快，刀具磨损严重，因此增加了停机时间和机床调整时间，降低了生产效率。该材料容易粘刀，产生积屑瘤，引起工件尺寸变化，导致工件尺寸精度和形位公差不易保证。切屑不易折断和弯曲，易损伤工件已加工表面，影响表面粗糙度，使工件表面质量不易保证。综上分析，为达到工件的精度要求，必须粗、精加工分开，中间穿插热处理工序，以磨削达到要求的工件精度。

具体大致工艺流程如图2 所示[3]。采用Φ85 mm 型材棒料先粗车外圆及内孔且均留精车余量，然后进行调质处理增强工件的综合机械性能，并进行外圆及内孔精车留磨削余量。经立式加工中心加工外表面螺纹孔后进行油煮定性处理，加热到120 ～140 ℃时保温12 h，以释放粗加工所产生的加工应力。处理后，设计专用工装磨削内孔基准，保证孔的尺寸、圆度及粗糙度要求，再以孔为基准设计工装芯轴，精磨外圆保证该外圆与内孔的同轴度要求Φ0.008 mm。

2.2 加工难点分析

（1）该件中间内孔Φ360+0.01mm、Φ390+0.01mm 尺寸公差等级为IT5 级，长度达211 mm，长径比为6，属于深孔加工系列。粗糙度仅为Ra0.4 μm，属于只能超精加工方法才能达到的镜面。圆柱度要求0.004 mm， 为形状公差6 级。如此高的精度，只能采用磨削完成。但是，由于该工件材料为马氏体不锈钢，加工硬化严重，积屑易堵塞砂轮，且深孔磨削时砂轮与工件的接触面积大、发热量大、冷却条件差、工件易产生热变形，特别是磨削深孔的砂轮轴细长，刚性极差，很容易弯曲变形，造成内圆锥形误差，难以保证工件精度。更重要的是，该件生产批量大，外圆为非完整圆，不易装夹找正。如果采用常规磨削工艺，每件都靠通用夹具装夹找正工件，孔一端磨削完毕后再掉头，找正磨削另一端，不但费时费力，加工效率低下，而且难以保证工件精度。为了解决这一难题，必须设计一套高效率、高质量专用夹具来磨削Φ360+0.01mm、 Φ390+0.01mm 内孔，以达到零件精度要求。

3 专用工装卡具的设计

3.1 内孔Φ360+0.01 mm、Φ390+0.01 mm 专用磨削工装设计

由于内孔Φ360+0.01mm、Φ390+0.01mm 的粗糙度要求Ra0.4 μm 和圆柱度要求0.004 mm，是该工件的工艺及加工基准，也是该工件最关键的工艺加工难点。它的精度能否达到要求，直接关系整个零件的安装、加工及定位基准。但是，如此高的尺寸公差、形状公差及粗糙度要求，只能通过精磨来完成[4]。考虑到加工精度、装夹及加工效率，设计专用夹具工装完成内孔Φ360+0.01mm、台阶孔Φ390+0.01mm 的最终加工。

磨削内孔工装夹具的组成如图3 所示，包括底座（夹具体）、套筒、前后轴承、前后轴承压盖及顶丝共8 个零件。底座（夹具体）由内六角螺钉通过底部平板固定在内圆磨床床身导轨上，如图4 所示。

3.1.1 磨削内孔工装夹具的工作原理

夹具体（底座）两端轴承孔与底面的中心距设计为内圆磨床主轴中心距磨床导轨面的标高，两孔分别与两个精密滚珠轴承的外圈过渡配合，两个精密轴承的内圈与中间套筒的两端台阶圆外径及端面过盈配合。整个装夹具体（底座）由内六角螺钉通过底部平板固定在内圆磨床床身导轨上。磨床主轴通过鸡心卡箍带动夹具中的套筒旋转，工件靠3 个顶丝压紧在套筒内壁上随主轴一起转动。两端轴承压盖密封轴承作用，防止磨削过程中的铁屑等杂物进入滚珠轴承。

具体使用时，先将夹具体（底座）两端轴承孔的孔径与选好的精密滚珠轴承的外圈配磨使之进行过渡配合，过盈量为0.002 mm，再将支持套筒的两端台阶圆外径及端面与选好的精密滚珠轴承的内圈配磨，过盈量为0.005 mm，最后两端安装轴承压盖，用螺钉紧固。将装配好的工装夹具放在内圆磨床导轨上，用千分表调整好套筒中间孔中心高与内圆磨床主轴中心距磨床导轨面的标高偏差在0.01 mm 以内，同时找正套筒中间孔母线使套筒中间孔中心与磨床主轴中心偏差在0.01 mm 以内，用内六角螺钉将夹具体固定在床身导轨上，将套筒的内孔与工件的定位外圆配磨，间隙在0.02 mm 以内。最后，将工件外圆插入套筒内孔，用工件台阶圆端面轴向定位，用3 个顶丝螺钉紧固。这样可以一次装夹磨削零件两端带形位公差内孔Φ360+0.01mm、台阶孔Φ390+0.01mm 及端面，保证图纸各处形位公差。

3.1.2 磨削内孔工装夹具的特点及实施效果

本套工装夹具仅有5 种零件，加工简便，成本低。每次装卸零件只需要拧两个顶丝即可，在批量生产中大大减少了操作者的装夹找正等辅助工作时间，工作效率提高30%。经现场检验，废品率降低了15%。此外，磨削同一类型尺寸不同的工件时，仅需更换两端轴承，调整夹具体两端轴承孔和套筒内孔即可。综上所述，本套工装夹具是一套低成本、高效率且具有一定通用性的专用工装。内孔磨削工装夹具工装现场，如图5 所示。

3.2 内孔Φ360+0.01 mm、Φ390+0.01 mm 内孔两侧锥堵工装设计

锥堵工装由螺母、垫圈、左锥堵、工件及右锥堵5 个零件组成[5]。工件与两侧锥堵靠1 ∶2 500 小锥度过盈接触定位，磨削外圆时螺母和垫圈暂不组装（螺母1 和垫圈2 为拆卸装置），只将左锥堵与右锥堵缓慢压入工件Φ360+0.01mm 内孔两侧，两顶尖装夹磨削外圆。由于工件与两侧锥堵1 ∶2 500 的小锥度过盈接触配合没有间隙，因此磨削后有效保证了内孔mm 与外圆mm 同轴度Φ0.008 mm。加工完成后拆卸锥堵时，将垫圈、螺母组装，旋入螺母将锥堵带出，再用塑料棒将右锥堵顶出。

4 结语

针对前套筒零件的材料、结构特点及精度要求制定合理的加工工艺流程，设计了一套高效、简单、实用的磨削内孔及外圆的夹具。该夹具效果显著，大大减少了操作者的装夹找正等辅助工作时间，提高了工作效率，降低了产品不合格率。